Jak określić konfigurację elektronową pierwiastka?
Konfiguracja elektronowa to zapis rozmieszczenia elektronów na powłokach i podpowłokach atomu. Aby ją określić, odczytaj liczbę elektronów z liczby atomowej, a następnie zapełniaj podpowłoki w kolejności rosnącej energii, stosując zakaz Pauliego i regułę Hunda.
Powłoki, podpowłoki i ich pojemność
Numer okresu wskazuje, ile powłok elektronowych zajmują elektrony w atomie danego pierwiastka. Powłoki oznacza się literami K, L, M, N, a także kolejnymi symbolami odpowiadającymi wartościom głównej liczby kwantowej n. Maksymalną liczbę elektronów na powłoce oblicza się ze wzoru 2n2.
| Numer powłoki n | Symbol powłoki | Maksymalna liczba elektronów |
|---|---|---|
| 1 | K | 2 |
| 2 | L | 8 |
| 3 | M | 18 |
| 4 | N | 32 |
Każda powłoka dzieli się na podpowłoki oznaczane literami s, p, d i f. Podpowłoka s ma jeden orbital i mieści maksymalnie 2 elektrony, p ma trzy orbitale i mieści 6 elektronów, d ma pięć orbitali i mieści 10 elektronów, a f ma siedem orbitali i mieści 14 elektronów.
Jak zapisać konfigurację elektronową krok po kroku?
W zapisie podpowłokowym liczba przed literą oznacza numer powłoki, litera wskazuje typ podpowłoki, a indeks górny określa liczbę znajdujących się na niej elektronów. Dla atomu obojętnego liczba elektronów jest równa liczbie atomowej.
- Odczytaj liczbę atomową. Dla atomu obojętnego określa ona liczbę elektronów, które trzeba rozmieścić.
- Zapisz kolejność zapełniania podpowłok. Stosuj ciąg 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s.
- Wpisuj maksymalną liczbę elektronów. Podpowłoka s przyjmuje 2, p – 6, d – 10, a f – 14 elektronów.
- Zatrzymaj się po rozmieszczeniu wszystkich elektronów. Suma wykładników musi być równa liczbie elektronów atomu.
- Sprawdź zapis. Zweryfikuj, czy nie przekroczono pojemności podpowłok i czy kolejność została zachowana.
Przykład dla tlenu, którego liczba atomowa wynosi 8:
O: 1s2 2s2 2p4
W przypadku pierwiastków bloku d trzeba zapamiętać, że podpowłoka 4s zapełnia się przed 3d. Wynika to z kolejności poziomów energetycznych, a nie z samego numeru powłoki. Dlatego żelazo zapisuje się jako:
Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Reguła przekątnych pomaga zapamiętać, że po 3p następuje 4s, a dopiero później 3d. Zapis elektronu na podpowłoce o większym numerze powłoki nie oznacza więc automatycznie wyższej kolejności zapełniania.
Reguły stosowane w zapisie klatkowym
Zapis klatkowy pokazuje rozmieszczenie elektronów na poszczególnych orbitalach. Jedna klatka oznacza jeden orbital, a strzałka symbolizuje elektron.
Najważniejsze zasady są następujące:
- Zakaz Pauliego – jeden orbital może zawierać najwyżej dwa elektrony, które muszą mieć przeciwne spiny.
- Reguła Hunda – orbitale o tej samej energii zapełnia się najpierw pojedynczo, z równoległymi spinami.
- Zasada minimalnej energii – elektrony zajmują najpierw podpowłoki o niższej energii.
Dla podpowłoki 2p, która ma trzy orbitale, konfiguracja 2p4 wygląda w zapisie klatkowym tak, że trzy orbitale najpierw otrzymują po jednym elektronie, a dopiero czwarty elektron tworzy parę w jednym z nich. Nie należy od razu umieszczać dwóch elektronów w pierwszej klatce.
Wyjątki i konfiguracje jonów
Promocja elektronowa chromu i miedzi
Reguła kolejności zapełniania prowadzi do przewidywanych zapisów, ale chrom i miedź mają w stanie podstawowym konfiguracje inne niż wynikałoby to z prostego zastosowania schematu.
Cr: [Ar] 4s1 3d5
Cu: [Ar] 4s1 3d10
W obu przypadkach jeden elektron przechodzi z podpowłoki 4s na 3d. Tę zmianę nazywa się promocją elektronową. Należy pamiętać, że opisane konfiguracje są stanami podstawowymi, a nie wzbudzonymi. Wynikają z korzystniejszego energetycznie obsadzenia podpowłoki d, odpowiednio w połowie lub całkowicie zapełnionej.
Jak tworzyć konfigurację jonów?
Najpierw ustal liczbę elektronów jonu. Kation ma ich mniej niż atom, ponieważ oddał elektrony, a anion ma ich więcej, ponieważ elektrony przyjął.
- Kation ładunku 1+ ma o jeden elektron mniej niż atom.
- Kation ładunku 2+ ma o dwa elektrony mniej niż atom.
- Anion ładunku 1− ma o jeden elektron więcej niż atom.
- Anion ładunku 2− ma o dwa elektrony więcej niż atom.
W przypadku kationów metali bloku d elektrony usuwa się najpierw z podpowłoki o najwyższym numerze głównej liczby kwantowej. Dlatego elektrony z 4s zabiera się przed elektronami z 3d.
Przykład dla żelaza:
Fe: [Ar] 4s2 3d6
Fe3+: [Ar] 3d5
Najpierw usunięto dwa elektrony z 4s, a następnie jeden elektron z 3d. Analogicznie:
Zn2+: [Ar] 3d10
Jest to przykład zadania, w którym z konfiguracji jonu można odtworzyć atom. Jon Zn2+ ma 28 elektronów, więc atom cynku ma 30 elektronów i konfigurację [Ar] 4s2 3d10.
Uwaga: przy tworzeniu kationu nie zabieraj automatycznie elektronów z podpowłoki d tylko dlatego, że zapis znajduje się obok 4s. Najpierw usuń elektrony z podpowłoki o najwyższym numerze powłoki, czyli z 4s przed 3d.
Zapis skrócony konfiguracji elektronowej
W zapisie skróconym pełną konfigurację wewnętrznych elektronów zastępuje się symbolem najbliższego wcześniejszego gazu szlachetnego, zapisanym w nawiasie kwadratowym. Pozostałe podpowłoki rozpisuje się normalnie.
Dla wanadu, którego liczba atomowa wynosi 23, poprzednim gazem szlachetnym jest argon:
V: [Ar] 4s2 3d3
Dla cynku zapis skrócony ma postać:
Zn: [Ar] 4s2 3d10
Zapis pełny lepiej pokazuje wszystkie zajęte podpowłoki i bywa wymagany w zadaniach z zapisem klatkowym. Zapis skrócony jest szybszy i wygodniejszy przy pierwiastkach o dużej liczbie atomowej.
Najważniejsza kontrola polega na zsumowaniu wykładników. W atomie obojętnym suma musi dawać liczbę atomową, a w jonie – liczbę elektronów wynikającą z jego ładunku.